Nepaisant didelių pastangų, energijos sąnaudų dalis produkcijos savikainoje sudaro gana didelę išlaidų dalį. Tam turi įtakos ir nuolat didėjanti energijos kaina, papildomi mokesčiai už tiekimo patikimumą, instaliuotą galią. Ypač didelių išlaidų patiria įmonės, kuriose yra didelis sezoninis energijos poreikis produkcijai perdirbti arba daug energijos reikia gamybinėms patalpoms šildyti.

Tokiais atvejais vertėtų gamintis dalį energijos įmonėje. Kartu tai papildoma apsauga nuo energijos tiekimo sutrikimų. Žemės ūkyje tokių gamybinių objektų, reikalaujančių patikimo energijos tiekimo, gana daug. Viena iš efektyviausių energijos gamybos technologijų yra kogeneracija - šiluminės ir elektros energijos gamyba vienoje jėgainėje. Šiuo metu labai populiaru kalbėti apie kogeneraciją, naudojant biomasę ir biodujas. Ši kryptis energetikoje žinoma ir taikoma seniai.

Klasikinėse šilumos mašinose (vidaus degimo ir turbininiuose varikliuose, garo mašinose) panaudojama tik nuo 25 iki 40 proc. pirminiame kure sukauptos energijos. Likusi dalis kaip šilumos nuostoliai patenka į aplinką. Kol kuro kainos buvo mažos ir energijos gamybos mastai nedideli, o aplinkos taršos problemos ne tokios aštrios, niekas nebuvo suinteresuotas diegti sudėtingesnes technologijas. Šiuo metu padėtis tokia, kad kaip niekad svarbu mažinti energijos nuostolius, kuo efektyviau naudoti brangų kurą ir mažinti aplinkos taršą.

Biodujų gamyba turi spręsti aplinkosaugos problemas

Kokia vieta šioje plotmėje turėtų tekti biodujoms? Pirmoje eilėje jų panaudojimas turi būti nukreiptas į atliekų/teršalų kenksmingumo mažinimą ir utilizavimą, o iš biodujų gaunama šilumos ir elektros energija leistų mažinti aplinkos taršą bei gauti papildomas įplaukas aplinkosaugos technologijoms diegti ir jų eksploatavimo sąnaudoms mažinti. Priešingu atveju kompromituojamas pats aplinkos taršos mažinimo principas. Geriausiai tai atspindi biodujų gamybos padariniai Vokietijoje. Bioenergijos supirkimo sąlygos ir finansinė parama nulėmė biodujų jėgainių statybos bumą. Siekiant užtikrinti reikiamą žaliavos kiekį joms gaminti, neproporcingai padidėjo kukurūzų, iš kurių (1 kg sausos masės) gaunama daugiausia biodujų, pasėlių plotai.

Situacija iš ties paradoksali - kukurūzai auginami vietoje kitų maistinių kultūrų, tam naudojama daug trąšų ir pesticidų, kuriems gaminti reikalingi iškastiniai šaltiniai, teršiama aplinka, naudojamos brangios technologijos ir subsidijos, atsiranda ekologinių problemų dėl monokultūrinių pasėlių bei suprastėjusios sėjomainos ir aplinkos tarša beveik nesumažėja. Gaunamas atvirkščias rezultatas, tik tarša perkeliama į kitas teritorijas. Ne veltui šioje šalyje pradėti tyrimai su naujomis intensyvių technologijų nereikalaujančiomis augalų rūšimis, kurias galima panaudoti pašarams, o iškilus būtinybei ir biodujoms gaminti. Be to, auginant tokius augalus, paprasčiau rekultivuoti dirvas ir užtikrinti didesnę pasėlių įvairovę. Taip pat numatoma keisti finansavimo tvarką ir įstatyminę bazę. Atsižvelgiant į esamą situaciją, gali būti net mažinamos privalomos biodegalų naudojimo kvotos.

Svarbiausia - žaliava

Prognozuojama, kad energetikoje dujų sunaudojimas per ateinančius 20 metų padidės 50-60 proc. Nepaisant didelės kainos, dujos yra pats geriausias kuras energetikoje. Dujas naudojančios jėgainės mažai teršia aplinką, lengvai eksploatuojamos, operatyviai įjungiamos ir stabdomos. Biodujų jėgainės pasižymi analogiškomis savybėmis, išskyrus įrengimo sąnaudas, bet turi ir privalumų, t. y. galima naudoti ir gamtines dujas, ir biodujas.

Pati biodujų gamyba nėra tokia paprasta ir apima nemažaitechnologinių etapų - nuo žaliavos pristatymo ir paruošimo iki pagamintos energijos paskirstymo. Be abejo, svarbu kvalifikuotas įrengimus prižiūrintis personalas. Nuo ko pradėti tokių jėgainių statybą?

Pirmas žingsnis - tai esamas biodujų gamybai žaliavų potencialas. Visos suyrančios atliekos yra biodujų šaltinis. Žemės ūkyje jų susidaro išties daug.

Žinant turimų potencialių žaliavų biodujoms gaminti išteklius ir jų pasiskirstymą per metus, galima apskaičiuoti teoriškai įmanomą pagaminti biodujų kiekį. Vertinant potencialą, reikia nepamiršti biodujų sunaudojimo saviems technologiniams poreikiams (biorezervuarui pašildyti šaltuoju periodu iki 35-50 °C), kuris mažose ir netobulose jėgainėse sudarys gana didelę pagamintų biodujų dalį. Vidiniams poreikiams tenkinti sunaudojama iki 20-25 proc. pagamintos elektros energijos ir iki 40-45 proc. pagamintos šilumos.

Taip pat reikia įvertinti žaliavų pasiskirstymą metų bėgyje. Šiuo etapu reikia apsvarstyti kooperacijos galimybes su artimiausiais kaimyniniais ūkiais ar komunalinėmis įmonėmis, kad būtų garantuotas nepertraukiamas ir pakankamas žaliavos tiekimas. Pagal žaliavų savybes parenkama sandėliavimo ir fermentavimo technologijos, pofermentacinių atliekų logistika ir panaudojimas. Pati žaliavų specifika eliminuoja tolimus pervežimus, o šilumos transportavimas didesniu kaip 2-3 km atstumu neapsimokės dėl didelių investicijų ir nuostolių. Tad jėgainė yra lokalus energinis objektas.

Biodųjų sudėtis

Kad būtų parinkti optimalūs biodujų gamybos proceso parametrai, teks kreiptis į specializuotas firmas. Įrangos gamintojai teikia tokias paslaugas. Biodujų gamybos procesas gana sudėtingas ir priklauso nuo įvairių parametrų. Biometanui gaminti dažniausiai taikoma drėgna fermentacija be deguonies. Proceso metu iš žaliavos susidaro daug šalutinių produktų. Be metano (50-75 proc.) biodujose yra anglies dvideginio (25-45 proc.), sieros vandenilio (20-20 000 ppm). Kiti komponentai sudaro nuo 0,001 iki 2 proc. Nepaisant mažų šalutinių produktų kiekių, jie gali kelti nemažai jėgainių eksploatavimo problemų.

Biodujų kaloringumas siekia apie 23 MJ/m³ (CH₄ koncentracija 65 proc.). Pašalinus anglies dvideginį, biodujų kaloringumas artimas gamtinėms dujoms (apie 35 MJ/m³). Taip pat biodujose yra didelis vandens garų kiekis. Biodujų kondicionavimas gana sudėtingas ir brangus procesas, kuris priklauso nuo jų panaudojimo technologijos. Deginant paprastame dujų katile, reikalavimai kokybei mažiausi, o patikimam kogeneracinių jėgainių šilumos mašinų darbui reikia pagaminti itin geros kokybės biodujas. Vidaus degimo varikliuose naudojamose biodujose turi būti daugiau kaip 70 proc. metano, o sieros junginių negali būti.

Mikroturbinoms veikti būtinos itin sausos, be siloksanų dujos. Kondicionuojant biodujas, svarbu pašalinti ne tik agresyvias ir pavojingas priemaišas, bet ir kuo labiau sumažinti balastinių dujų kiekį. Jos nedalyvauja degimo procese, bet šioms dujoms kaitinti sunaudojama biodujų energija ir gali susidaryti teršalų (sieros ir azoto oksidų). Taupant dujų filtravimo ir kondicionavimo įrangai, neįmanoma pasiekti gamintojo deklaruojamo įrangos veikimo efektyvumo bei patikimumo. Taip prarandamos ir gamintojo garantijos.

Fermentacijos sąlygos

Net ir pasirinkus optimalią technologiją, išlieka nemažai veiksnių, kurie veikia fermentacinio proceso našumą. Pirmiausia, tai proceso temperatūra. Metaną gaminančios bakterijos aktyvios gana siaurame temperatūrų diapazone, o acto rūgštį gaminantys mikroorganizmai kur kas mažiau jautrūs žemoms temperatūroms. Sumažėjus temperatūrai fermentavimo rezervuare, kaupiasi rūgštys ir procesui atkurti būtina nutraukti substrato padavimą bei kaitinti biomasę.

Naudojant substratą, kuriame didelis baltymų kiekis, fermentacijos procese susidaro daug biodujų generavimą stabdančio amoniako. Panašų efektą sukelia siera ir per didelis kiekis rūgštaus substrato (siloso) kiekis reaktoriuje. Dujų išeigą galima padidinti, įrengiant hermetišką pofermentacinį rezervuarą. Pavyzdžiui, perdirbtame dumble lieka nemaža dalis nesunaudotų organinių medžiagų, kurios išskiria biodujas. Surinkus jas iš pofermentacinės talpyklos, galima pasiekti iki 20 proc. didesnę išeigą. Orientacinius pradinio etapo dujų gamybos kiekius galima apskaičiuoti pagal formulę:

V_CH4 = 0,35 x (Ch_DPF - Ch) x Q

V_CH4 - generuojamas metano kiekis, m³/parą;

Ch_DPF - fermentavimo reakcijos biomasėje palaikymui reikalingas deguonies kiekis, kgO₂/kg biomasės;

Ch_DAF - pofermentacinių atliekų deguonies poreikio kiekis, kgO₂/kg biomasės;

Q - masinis biomasės srautas biorektoriuje, kg/parą.

Nemažai problemų sudaro vandens tiekimas biojėgainėse, naudojančiose sausą substratą (paukščių mėšlą ir kraiką). Vienas iš būdų mažinti sunaudojamo vandens kiekį ir didinti biodujų išeigą yra naudoti išrūgas. Norint pasiekti projektinę biodujų išeigą, labai svarbu optimaliose ribose išlaikyti ne tik anglies ir azoto, bet ir fosforo bei sieros santykį (C-60:N-15:P-5:S-1) bei pakankamą kiekį mikroelementų, reikalingų bakterijų gyvybingumui palaikyti.

Jėgainės galia

Kitas jėgainės pasirinkimo etapas - parinkti kogeneracinės elektrinės galią, kurią iš dalies riboja perdirbimui turimų žaliavų srautas. Biodujų gamyba turi savą specifiką. Bioreaktoriaus gaminamas dujų srautas nėra pastovus. Didžiausias našumas pasiekiamas po tam tikro laiko ir paskui pradeda mažėti. Našumas priklauso ir nuo įkrovos sudėties: jei joje mažai riebalų, baltymų, generavimo našumas bus mažas. Dirbant su ciklinio pakrovimo reaktoriais, be buferinės talpos sunku išsiversti. Pastovaus pakrovimo reaktorių našumas stabilesnis, bet buferinis rezervuaras būtinas, norint sukaupti pakankamą dujų kiekį pereinamiems ir avariniams režimams. Ypač tai svarbu, siekiant parduoti maksimalų pikinės elektros energijos kiekį.

Jėgainės galią taip pat riboja elektros tinklų galimybės priimti generuojamą galią ir vidaus poreikiams reikalingas arba pageidaujamas galios dydis. Parinkta per didelė jėgainės elektrinė galia neleis dirbti optimaliu režimu ir tiekti energiją mažomis gamybos sąnaudomis arba ją teks naudoti vidaus poreikiams, kad jėgainė dirbtų optimalia apkrova. Panaši problema iškyla ir naudojant šilumos galią. Jei perteklinė šiluma nesunaudojama variklio aušinimo kontūruose (tepalo ir vandens), norint stabilizuoti variklio darbo temperatūrą, ją reikia nuvesti į aplinką. Dėl šios priežasties kogeneracinėse jėgainėse, skirtose dirbti skirtingomis apkrovomis per parą, montuojami 2-5 generaciniai moduliai. Sumažėjus generuojamos energijos poreikiui, mažinamas dirbančių modulių skaičius. Taip įmanoma optimaliai suderinti agregatų apkrovą pagal sistemos poreikius. Kitas aspektas, kurį taip pat būtina įvertinti, tai apkrovos charakteristikos ir elektrinių įrengimų paleidimo eiliškumas.

Ne visada generuojama galia gali būti lygi maksimaliai apkrovai. Jei objekte yra elektros pavaros su sunkiu paleidimo mechanizmu (malūnai, didelio našumo ventiliatoriai ir pan.), jų starto metu srovė ir galia pasiekia 10 kartų didesnes vertes. Pagal tai parinkus generatoriaus vardinę galią, bus gautas neoptimalus kainos ir gamybos sąnaudų atžvilgiu (didžiąją laiko dalį jėgainė dirbs daline apkrova) variantas. Išeitis - keisti variklio paleidimo būdą į „žvaigždė/trikampis" arba naudoti dažnio keitiklius. Generatoriaus galios optimizavimas leidžia sumažinti investicijas apie 30 proc. Šiame etape reikia nustatyti maksimalią ir minimalią galią vidaus poreikiams tenkinti sezoninio piko metu (pvz., pirminis produkcijos perdirbimas derliaus nuėmimo metu).

Šilumos sunaudojimas

Trečias jėgainės projektavimo etapas - tai pagamintos šilumos sunaudojimas. Šiltuoju metų laiku sunaudoti visą pagamintą šiluminę energiją gana problematiška. Ją būtų galima naudoti produkcijai džiovinti, vandeniui šildyti ir technologiniam garui ruošti. Taip pat pagamintą šilumą galima naudoti šaldymo ir kondicionavimo sistemų absorbciniams aušintuvams.

Pabrėžtina, kad tiekiamo termofikacinio vandens parametrai iš kogeneracinių jėgainių su vidaus degimo varikliais yra mažesni negu iš tipinių katilinių (apie 80 °C). Aukštesni parametrai pasiekiami, atidirbtas degimo dujas tiekiant į dujinį katilą. Tokiam variantui geriau tinka mikroturbinos. Jose degimas vyksta su dideliu deguonies pertekliumi ir išmetamose degimo dujose jo koncentracija siekia 15 proc. Normaliam degimui reikės tiekti mažiau šalto aplinkos oro ir katilas dirbs efektyviau.

R. Ambrulevičius

Mano ūkis, 2013/11